CN103376499A - 光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤，包括：位于中心部的纤芯、与纤芯相邻接并覆盖其外周的低折射率层、以及与低折射率层相邻接并覆盖其外周的包层，其特征在于：纤芯的折射率高于包层的折射率，低折射率层的折射率低于包层的折射率，低折射率层的折射率从内侧向外侧降低。本发明所述光纤能够既不破坏弯曲损耗，又能降低由光纤的瑞利散射引起的传输损耗。

Description

光纤
技术领域
本发明涉及一种光通信用的光纤，尤其涉及一种在数十公里的长度进行传输的长距离线路以及适用于光纤入户（（Fiber To The Home，FTTH）和局域网（Local Area Network，LAN）中的室内外布线的光纤。
背景技术
光纤由于其宽带特性而适用于远距离通信领域，并广泛应用于数十公里以上的长距离干线线路的通信。另一方面，随着互联网的迅速普及，各个PC机的收发信息量也飞速增加。目前，被广泛使用的技术为同轴电缆和非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）电缆等铜线电缆。由于电缆的带宽狭窄或易受电磁波噪声影响等原因，难以传输庞大的信息量。因此，不仅仅是电话局间的长距离通信，电话局与各用户间的通信也使用光纤，作为提高传输容量的技术，FTTH逐渐得到普及。
在FTTH中采用的方式为，利用光纤的宽带特性使多个用户在用户群附近共用一根光纤，此后将光信号分路给各个用户，为各个用户分配光纤的引入线。在引入线和室内布线中的光纤所需要具有的重要特性可以例举出弯曲损耗。长距离干线电缆铺设在地下管道等不易受到外力影响的地方，而与此相对的是，室内外的光纤在比较的细（直径为数mm）的线缆状态下进行布线。这样虽然能够为光纤带来柔性并使其轻量化，但易于受到外力影响，大部分光纤能承受的弯曲半径为20mm以下。本来，在光纤中，信号光沿着光纤的纤芯传输。因此具有在光纤弯曲的状态下也能够进行传输的特性。然而，随着弯曲半径的变小，在传输途中从纤芯泄漏的光的比例呈指数函数增加，成为传输损耗。这就是弯曲损耗。
作为用于这种用途的单模光纤，在ShojiroKawakami and ShigeoNishida，“Characteristics of a Doubly Clad Optical Fiber with A Low-IndexInnerCladding”IEEE Journal of Quantum Electronics，vol QE-10，no.12，pp.879―887，December1974中公开了一种凹陷型（Depressed）光纤，在纤芯的外侧设置有低折射率层，从而在使MFD（Mode Field Diameter，模场直径）变大的同时降低弯曲损耗。在特开2002-47027号中公开的光纤通过这种结构降低了由杂质引起的吸收损耗，优化了零色散波长。该光纤的低折射率包层的相对折射率差Δ被设为约-0.021～-0.0007%左右，从而将MFD设计成9.2μm左右。在特开2006-133496号中公开的光纤进一步改善了弯曲特性。该光纤的低折射率包层的相对折射率差Δ被进一步设为更低的-0.08～-0.02%的同时，将MFD设计成稍小的8.2～9.0μm。
在硅玻璃类的光纤的情形中，通常掺杂锗来提高折射率，掺杂氟来降低折射率。以前，在纤芯中既掺杂锗也掺杂氟。原因之一是受到了制造上的限制，即在将多孔质体在含氟气体氛围气中进行加热处理时，氟也会被扩散掺杂到含锗的纤芯部分。另一个原因是，在形成折射率分布时，为了对折射率分布进行微调，同时掺杂两种元素，这样易于设计出具有所需玻璃折射率的光纤。
另一方面，在充分去除了杂质的光纤中，大部分传输损耗都是瑞利散射损耗。瑞利散射损耗是由以光纤的纤芯为中心的光传输部分的玻璃成分的波动引起的。因此，纤芯中所含的掺杂物的量越多，瑞利散射损耗就越大，从而导致传输损耗增大的问题。因此，在现有类型的光纤的情形中存在的问题是，如果增加纤芯中掺杂的锗及氟的掺杂物总量，则难以得到低损耗的光纤。
发明内容
发明要解决的问题:
本发明的目的是，针对上述现有技术，提供一种光纤，既不破坏弯曲损耗，又能降低由光纤的瑞利散射引起的传输损耗。
解决问题的方案:
作为本发明的第一形态，提供了一种光纤，包括：位于中心部的纤芯、与纤芯相邻接并覆盖其外周的低折射率层、以及与低折射率层相邻接并覆盖其外周的包层，其特征在于，在该光纤中，纤芯的折射率高于包层的折射率，低折射率层的折射率低于包层的折射率，低折射率层的折射率从内侧向外侧降低。
另外，上述发明内容并未列举出本发明的全部可能特征，所述特征组的子组合也有可能构成发明。
附图说明
图1（a）为表示在实施例1中得到的光纤预制体的相对折射率差的曲线；
图1（b）表示在曲线的半径方向位置处的Ge浓度分布；
图1（c）表示在曲线的半径方向位置处的氟浓度分布；
图2（a）为表示在比较例1中得到的光纤预制体的相对折射率差的曲线；
图2（b）表示在曲线的半径方向位置处的Ge浓度分布；
图2（c）表示在曲线的半径方向位置处的氟浓度分布；
图3（a）为表示在实施例2中得到的光纤预制体的相对折射率差的曲线；
图3（b）表示在曲线的半径方向位置处的Ge浓度分布；
图3（c）表示在曲线的半径方向位置处的氟浓度分布；
图4（a）为表示在比较例2中得到的光纤预制体的相对折射率差的曲线；
图4（b）表示在曲线的半径方向位置处的Ge浓度分布；
图4（c）表示在曲线的半径方向位置处的氟浓度分布；
图5显示表达光纤的损耗α（λ）的式子；
图6以表格形式显示了在实施例1、2和比较例1、2中得到的光纤的瑞利散射系数及结构不规则损耗。
具体实施方式
（实施例1）
采用现有的方法来制造光纤预制体并成为图1（a）中所示曲线。现有的方法是指轴向气相沉积（Vapor Axial Deposition，VAD)法、管外汽相沉积（Outside Vapor Deposition，OVD）法、等离子体化学气相沉积（PlasmaChemical Vapor Deposition，PCVD）法、护套（jacket）法，也可以进行这些堆积方法中的多个组合。作为调整掺杂物浓度的例子是，将从纤芯中心开始的半径位置处的锗的浓度分布显示在图1（b）中，将氟的浓度分布与半径位置相对应地显示在图1（c）中。根据图1（a）的曲线，纤芯外侧的折射率以大致固定的倾斜度朝外侧降低。
图5显示了表示光纤的损耗α（λ）的式子。光纤的损耗α（λ）可以根据作为瑞利散射系数的A、作为结构不规则损耗的B、作为杂质吸收等的C，由图5所示的式子进行表达。对具有图1（a）的曲线的光纤预制体进行拉丝而得到的光纤在作为使用波长的1310nm处的损耗为0.334dB/km，在作为另一使用波长的1550nm处的损耗为0.191dB/km，这些均为低损耗。
图6以表格的形式显示了由实施例1、2和比较例1、2所得到的光纤的瑞利散射系数和结构不规则损耗。如图6所示，实施例1的光纤的瑞利散射系数为0.860dB/km·μm4、结构不规则损耗为0.042dB/km，可以说瑞利散射系数及结构不规则损耗均得到了抑制。
（比较例1）
作为比较例1，采用与实施例1相同的现有方法制造光纤预制体，作为掺杂物浓度，锗为图2（b）所示的浓度分布，氟为图2（c）所示的浓度分布。将其曲线显示在图2（a）中。对该预制体进行拉丝所得的光纤在作为使用波长1310nm处的损耗为0.337dB/km，在作为另一使用波长1550nm处的损耗为0.190dB/km，这些均为低损耗。然而，如图6所示，在测定比较例1的光纤的瑞利散射系数时，成为0.884dB/km·μm4，作为瑞利散射系数比实施例1高，不能说得到了抑制。
（实施例2）
作为另一实施例，采用与实施例1相同的现有发方法来制造光纤预制体，作为掺杂物浓度，锗为图3（b）所示的浓度分布，氟为图3（c）所示的浓度分布，将其曲线显示在图3（a）中。根据图3（a）的曲线，纤芯外侧的折射率在接近纤芯的一侧缓慢倾斜，在远离纤芯的一侧急剧倾斜，并朝外侧降低。对这种预制体进行拉丝而得到的光纤在作为使用波长1310nm处的损耗为0.329dB/km，在作为另一使用波长1550nm处的损耗为0.187dB/km，这些均为低损耗。另外，如图6所示，实施例2的光纤的瑞利散射系数为0.854dB/km·μm4、结构不规则损耗为0.039dB/km，可以说瑞利散射系数及结构不规则均得到了抑制，因此可以说是抑制效果较高的光纤。
作为比较例2，采用与实施例1相同的现有技术来制造光纤预制体，作为掺杂物浓度，锗为图4（b）所示的浓度分布，氟为图4（c）所示的浓度分布。将其曲线显示在图4（a）中。根据图4（a）的曲线，接近于纤芯的一侧和远离纤芯的一侧均急剧倾斜，低折射率层变得大致平坦。对这种预制体进行拉丝而得到的光纤在作为使用波长1310nm处的损耗为0.355dB/km，在作为另一使用波长1550nm处的损耗为0.211dB/km，这些均为高损耗。
如图6所示，在测定比较例2的光纤的瑞利散射损耗时，变为0.866dB/km·μm4，低于比较例1。但另一方面，结构不规则损耗变为0.061dB/km，这是其他实施例和比较例的约1.5倍的高值。这样一来，被认为当接近纤芯的一侧的折射率急剧变化时，由掺杂量的急剧变化而引起的玻璃特性的差异也会变大，结构不规则损耗也会变大。
据此，发明者们在刻苦钻研后发现既不破坏弯曲损耗又能抑制瑞利散射的方案。也就是说，传输光纤的光功率不仅仅是在纤芯部分，而且也会向外侧的低折射率层渗出一部分并且也传输光。由于这种光纤结构使得越靠近分布有大量光功率的低折射率层的内侧，掺杂量就越少，从而能够抑制瑞利散射。
具体地，实施例1及2的光纤包括：位于中心部的纤芯、与纤芯相邻接并覆盖其外周的低折射率层、以及与低折射率层相邻接并覆盖其外周的包层，其特征在于，在该光纤中，纤芯的折射率高于包层的折射率，低折射率层的折射率低于包层的折射率，低折射率层的折射率从内侧向外侧降低。另外，如果将纤芯的最大折射率设为n1，将低折射率层的最低折射率设为n2，将包层的平均折射率设为n3，则低折射率层的最内侧与纤芯之间的交界部处的折射率为n3，低折射率层的最外侧与包层之间的交界部处的折射率为n2。
另外，在现有类型光纤的情形中，在纤芯掺杂的锗及氟的掺杂总量最终都增大，因此导致难以得到实质上低损耗的光纤的问题。作为用于解决上述问题的光纤，在纤芯中掺杂用于提高折射率的元素，在低折射率层中掺杂用于降低折射率的元素。另外，纤芯大体上并不包含用于降低折射率的元素，低折射率层大体上并不包含用于提高折射率的元素。进一步地，包层大体上并不包含用于提高折射率的元素及用于降低折射率的元素。通过这种结构能够抑制掺杂物的总量，并能够抑制瑞利散射。
另外，实施例1及2的光纤中，在低折射率层中掺杂的用于降低折射率的元素的含有量从低折射率层的内侧向外侧增加，在低折射率层的最内侧与纤芯的交界部处大致为零，在低折射率层的最外侧与包层的交界部处为最大。通过这样的结构能够抑制由掺杂量的急剧变化而引起的玻璃特性的差异，并能够抑制由结构不规则损耗引起的损耗。
另外，在纤芯中掺杂的用于提高折射率的元素的含有量在纤芯的最外侧与低折射率层之间的交界部处大致为零。另外，用于提高折射率的元素为锗，用于降低折射率的元素为氟。进一步地，在波长1550nm处的传输损耗为0.19dB/km以下，在将光纤卷绕在直径为20mm的芯棒上时的损耗增加量为0.5dB/km以下。另外，在波长1383nm处的传输损耗为0.35dB/km以下。
另外，在光纤上传输的光功率不仅分布于纤芯，而且还有一部分渗出分布在外侧的低折射率层上。本实施例1及2的光纤由于越靠近低折射率层中光分布有大量功率的内侧，掺杂量就越少，从而能够抑制瑞利散射且不破坏弯曲损耗。另外，能够抑制纤芯、低折射率层、包层中包含的掺杂物的总量而不改变折射率分布形状，能够抑制瑞利散射而不破坏弯曲损耗。
以上，使用本发明的实施方式进行了说明，但本发明的技术范围不限于上述实施方式所记载的范围。本领域技术人员应当清楚，在上述实施方式的基础上可加以增加各种变更或改进。由权利要求的记载可知，这种加以变更和改进的实施方式也包含在本发明的技术范围内。
应当注意的是，权利要求书、说明书及附图中所示的装置、系统、程序以及方法中的动作、顺序、步骤及阶段等各个处理的执行顺序，只要没有特别明示“更早”、“早于”等，或者只要前面处理的输出并不用在后面的处理中，则可以以任意顺序实现。关于权利要求书、说明书及附图中的动作流程，为方便而使用“首先”、“然后”等进行了说明，但并不意味着必须按照这样的顺序实施。

Claims (15)

1.一种光纤，包括：位于中心部的纤芯、与所述纤芯相邻接并覆盖其外周的低折射率层、以及与所述低折射率层相邻接并覆盖其外周的包层，其特征在于：所述纤芯的折射率高于所述包层的折射率，所述低折射率层的折射率低于所述包层的折射率，所述低折射率层的折射率从内侧向外侧降低。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中：将所述纤芯的最大折射率设为n1，所述包层的平均折射率设为n3，则所述低折射率层的最内侧与所述纤芯之间的交界部处的折射率为n3。
3.根据权利要求1或2所述的光纤，其中：将所述纤芯的最大折射率设为n1，所述低折射率层的最低折射率设为n2，则所述低折射率层的最外侧与所述包层之间的交界部处的折射率为n2。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光纤，其中：所述光纤以硅为主要成分，所述纤芯中掺杂有用于提高折射率的元素，所述低折射率层中掺杂有用于降低折射率的元素，所述纤芯实质上不包含用于降低折射率的元素。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光纤，其中：所述光纤以硅为主要成分，所述纤芯中掺杂有用于提高折射率的元素，所述低折射率层中掺杂有用于降低折射率的元素，所述低折射率层实质上不包含用于提高折射率的元素。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的光纤，其中：所述光纤以硅为主要成分，所述纤芯中掺杂有用于提高折射率的元素，所述低折射率层中掺杂有用于降低折射率的元素，所述包层大体上不包含用于提高折射率的元素及用于降低折射率的元素。
7.根据权利要求4～6中任一项所述的光纤，其中：在所述低折射率层中掺杂的用于降低折射率的元素的含量从所述低折射率层的内侧向外侧增加。
8.根据权利要求4～7中任一项所述的光纤，其中：在所述低折射率层中掺杂的用于降低折射率的元素的含量，在所述低折射率层的最内侧与纤芯之间的交界部处大致为零。
9.根据权利要求4～8中任一项所述的光纤，其中：在所述低折射率层中掺杂的用于降低折射率的元素的含量，在所述低折射率层的最外侧与包层之间的交界部处为最大。
10.根据权利要求4～9中任一项所述的光纤，其中：在所述纤芯中掺杂的用于提高折射率的元素的含量，在所述纤芯的最外侧与低折射率层之间的交界部处大致为零。
11.根据权利要求4～10中任一项所述的光纤，其中：所述用于提高折射率的元素为锗。
12.根据权利要求4～11中任一项所述的光纤，其中：所述用于降低折射率的元素为氟。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的光纤，其中：在波长1550nm处的传输损耗为0.19dB/km以下。
14.根据权利要求1～13中任一项所述的光纤，其中：在将光纤卷绕于直径为20mm的芯棒上时，在波长1550nm处的损耗增加量为0.5dB/km以下。
15.根据权利要求1～14中任一项所述的光纤，其中：在波长1383nm处的传输损耗为0.35dB/km以下。
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